軟鋼阻尼器發(fā)展及應用綜述

(華南理工大學土木與交通學院 廣東 廣州 510000)

引言

地震和風振作用相當于能量的輸入，因此在強震和大風作用下的結構物應有足夠的耗能能力，才能夠避免發(fā)生破壞。結構消能減震技術是一種新的主動的抗震防災技術，在采用消能減震技術的結構體系中，結構的某些非承重構件被設計成具有較大耗能能力的特殊元件——阻尼器，小風小震時，結構本身具有足夠的側向剛度以滿足使用要求，結構處于彈性狀態(tài)；大震大風時，隨著結構側向變形的增大，阻尼器率先進入非彈性狀態(tài)，產生較大阻尼，集中地耗散結構的地震或風振能量，迅速衰減結構的振動反應，從而避免或減小主體結構的損傷。而消能減震結構的實現(xiàn)主要依賴于研制出簡便實用的消能減震裝置——阻尼器，目前國內外已研制出大量的阻尼器，其中軟鋼阻尼器具有穩(wěn)定的滯回特性、良好的低周疲勞特性、不受環(huán)境溫度的影響等優(yōu)點，使其在實際工程中的應用前景極為廣闊。

一、軟鋼阻尼器的研究和應用

軟鋼阻尼器是結構被動控制中耗能減震裝置的一種，在地震或風振時，通過軟鋼發(fā)生塑性屈服滯回變形而耗散輸入結構中的能量，從而達到減震的目的。由于軟鋼阻尼器構造簡捷，力學概念明確，技術性能可靠且易實現(xiàn)，自1972年美國學者J·T·P·Yao提出結構振動控制概念以來，各國學者不斷地對軟鋼阻尼器進行理論和試驗研究，并開發(fā)出各種構造形式的軟鋼阻尼器。

1972年，新西蘭的Keiiy等人首先提出金屬屈服耗能器，并進行了軟鋼阻尼器的研究和試驗，該阻尼器由數(shù)塊矩形鋼板疊加組成。1975年，新西蘭的Skinney等人提出U形鋼板阻尼器，并于1980年最早將鋼阻尼器應用于新西蘭政府辦公樓這一實際工程中。1978年新西蘭的Tyier提出的錐形軟鋼阻尼器在意大利NapieS的一幢29層的鋼結構建筑中采用。1981年美國的Stiemer等人提出的鋼管阻尼器在新西蘭的一幢6層政府辦公樓中應用。目前較具特色的軟鋼阻尼器是三角形軟鋼阻尼器(TADAS)和X形軟鋼阻尼器(XADAS)兩種，分別是Whittaker等人和TSai等人研究開發(fā)的，是目前應用較多的軟鋼阻尼器。美國舊金山的兩幢和墨西哥的三幢結構成功地采用了XADAS進行抗震加固。值得提出的是：日本和美國新近出現(xiàn)的抑制屈曲支撐軟鋼阻尼器，在其內核鋼支撐和外包層(鋼管、鋼筋混凝土或鋼管混凝土)之間形成無粘結滑移界面，防止內核鋼支撐在壓力作用下屈曲，從而獲得豐滿的滯回曲線。該阻尼器具有方便耐用、滯回耗能性能良好的特點，逐漸得到工程界的廣泛認可。至今為止，國外采用軟鋼阻尼器建筑已超過百幢，以結構控制技術應用發(fā)展較快的國家如美國、日本、加拿大、新西蘭、墨西哥為主，意大利、法國、俄羅斯、新加坡等國家也在實際工程中積極地應用。

我國自1980年王光遠院士提出了高聳結構風振控制開始，已有越來越多的學者投入到軟鋼阻尼器的研究和開發(fā)中，1995年臺灣學者高健章和葉瑞孝考慮到加勁阻尼裝置的X形和三角形鋼板排列過于緊密，提出改進型加勁阻尼裝置。1997年，哈爾濱工業(yè)大學的周云、劉季研制出了軟鋼圓環(huán)耗能器，隨后為避免耗能器初始剛度和屈服力低、耗能量有限的缺點，又加以改進提出雙環(huán)軟鋼耗能器和加勁圓環(huán)耗能器，并分別進行了試驗研究。2003年中國地震局力學所的邢書濤等人將矩形鋼板阻尼器改進為中空菱形鋼板阻尼器，使阻尼器鋼板沿高度方向在相同厚度處各點同時達到屈服，從而大大提高了耗能能力。2004年，哈爾濱工業(yè)大學的李玉順等人提出了極低屈服點軟鋼阻尼器，并進行了室外足尺擬動力試驗。但我國軟鋼阻尼器實際應用較少。

二、軟鋼阻尼器消能減震結構體系的抗震設計方法

軟鋼阻尼器通常安裝在主體結構的交叉支撐、人字型支撐或單斜支撐上組成耗能減震體系。結構抗震設計采用的是“二階段”的設計方法，消能減震結構也采用“二階段”的設計方法：第一階段，在小震或風載作用下，主體結構及耗能減震裝置處于彈性狀態(tài)，可以提供足夠的附加剛度使耗能減震體系滿足第一和第二水準要求；第二階段，在強烈地震下，耗能裝置通過往復滯回變形消耗輸入結構體系的能量，使主體結構避免進入明顯的非彈性狀態(tài)從而實現(xiàn)第三水準的要求。

耗能減震結構體系的運動方程為：

(1)

三、軟鋼阻尼器消能減震結構存在的問題和發(fā)展方向

雖然軟鋼阻尼器耗能減震技術的研究和應用已取得較大的進展，但還有許多問題有待研究和解決。

1.目前國內外開發(fā)的軟鋼阻尼器形式和構造均較復雜，故研究較多，實際應用較少。開發(fā)方便耐用、耗能能力強、便于大規(guī)模應用于實際工程的軟鋼阻尼器成為當務之急。

2.低屈服點的軟鋼阻尼器在較強的地震和風振下才會起作用，且需裝設相當數(shù)量，需尋找極低屈服點材料的阻尼器，使其更有效。

3.軟鋼阻尼器在工作時整體屈曲和局部屈曲以及鋼板的薄膜效應都會對阻尼力-位移滯回模型產生影響，需進一步探討更準確的本構關系。

4.尚無消能減震體系的有關設計、施工等定量定性標準規(guī)范，還需編制相應的計算分析軟件。無論如何，軟鋼阻尼器耗能減震結構體系比傳統(tǒng)的抗震體系能更加有效地減震，并具有技術簡明、穩(wěn)定可靠、適用性廣等優(yōu)點，必將成為一種在實際工程中廣泛應用的耗能減震體系。